من مبدأ عمل مصابيح LED، يتضح أن مادة الرقاقة المُرَسَّبة هي المكون الأساسي لها. في الواقع، تتحدد المعايير الكهروضوئية الرئيسية، مثل الطول الموجي والسطوع والجهد الأمامي، بشكل كبير بواسطة مادة الرقاقة. تُعد تقنية ومعدات الرقاقات المُرَسَّبة بالغة الأهمية لعملية التصنيع، حيث يُعتبر الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD) الطريقة الرئيسية لترسيب طبقات رقيقة أحادية البلورة من مركبات III-V وII-VI وسبائكها. فيما يلي بعض التوجهات المستقبلية في تقنية الرقاقات المُرَسَّبة لمصابيح LED.
1. تحسين عملية النمو ذات المرحلتين
تعتمد عمليات الإنتاج التجاري حاليًا على عملية نمو ثنائية المراحل، إلا أن عدد الركائز التي يمكن تحميلها في وقت واحد محدود. وبينما وصلت أنظمة الست رقاقات إلى مرحلة النضج، لا تزال الآلات التي تعالج حوالي 20 رقاقة قيد التطوير. غالبًا ما تؤدي زيادة عدد الرقاقات إلى عدم كفاية تجانس الطبقات المترسبة. ستركز التطورات المستقبلية على اتجاهين:
- تطوير تقنيات تسمح بتحميل المزيد من المواد المتفاعلة في حجرة تفاعل واحدة، مما يجعلها أكثر ملاءمة للإنتاج على نطاق واسع وخفض التكاليف.
- تطوير معدات رقائق أحادية عالية الأتمتة وقابلة للتكرار.
2. تقنية الترسيب البخاري بالهيدريد (HVPE)
تُمكّن هذه التقنية من النمو السريع للأغشية السميكة ذات الكثافة المنخفضة للعيوب البلورية، والتي يمكن استخدامها كركائز للنمو المتجانس باستخدام طرق أخرى. إضافةً إلى ذلك، قد تُصبح أغشية نتريد الغاليوم (GaN) المنفصلة عن الركيزة بدائلَ لرقائق نتريد الغاليوم أحادية البلورة. مع ذلك، تُعاني تقنية الترسيب الكيميائي للبخار الهيدروجيني (HVPE) من بعض العيوب، مثل صعوبة التحكم الدقيق في السُمك وغازات التفاعل المُسببة للتآكل، مما يُعيق تحسين نقاء مادة نتريد الغاليوم.
نيتريد الغاليوم المطعّم بالسيليكون بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار الهيدريدي
(أ) بنية مفاعل HVPE-GaN المطعّم بالسيليكون؛ (ب) صورة لـ HVPE-GaN المطعّم بالسيليكون بسمك 800 ميكرومتر؛
(ج) توزيع تركيز حاملات الشحنة الحرة على طول قطر طبقة نتريد الغاليوم المطعّم بالسيليكون والمُرَسَّبة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار الهيدريدي
3. تقنية النمو الانتقائي للطبقة الرقيقة أو تقنية النمو الجانبي للطبقة الرقيقة
تساهم هذه التقنية في تقليل كثافة العيوب وتحسين جودة بلورات طبقات نيتريد الغاليوم المترسبة. تتضمن العملية ما يلي:
- ترسيب طبقة من نيتريد الغاليوم على ركيزة مناسبة (الياقوت أو كربيد السيليكون).
- ترسيب طبقة قناع من ثاني أكسيد السيليكون متعدد البلورات في الأعلى.
- استخدام الطباعة الضوئية والحفر لإنشاء نوافذ GaN وشرائط قناع SiO₂.أثناء النمو اللاحق، ينمو GaN أولاً عموديًا في النوافذ ثم جانبيًا فوق شرائح SiO₂.
رقاقة GaN على الياقوت من XKH
4. تقنية بينديو-إبيتاكسي
تُقلل هذه الطريقة بشكل ملحوظ من عيوب الشبكة البلورية الناتجة عن عدم تطابق الشبكة البلورية والحرارة بين الركيزة والطبقة المترسبة، مما يُحسّن جودة بلورة نيتريد الغاليوم. وتشمل الخطوات ما يلي:
- تنمية طبقة GaN فوقية على ركيزة مناسبة (6H-SiC أو Si) باستخدام عملية من خطوتين.
- إجراء عملية حفر انتقائية للطبقة فوقية وصولاً إلى الركيزة، مما يؤدي إلى إنشاء هياكل متناوبة من الأعمدة (GaN/الطبقة العازلة/الركيزة) والأخاديد.
- نمو طبقات إضافية من GaN، والتي تمتد جانبياً من الجدران الجانبية لأعمدة GaN الأصلية، المعلقة فوق الخنادق.وبما أنه لا يتم استخدام قناع، فإن هذا يتجنب التلامس بين مادة GaN ومادة القناع.
رقاقة GaN على السيليكون من XKH
5. تطوير مواد إبيتاكسية لمصابيح LED فوق البنفسجية ذات الطول الموجي القصير
يُرسي هذا أساسًا متينًا لمصابيح LED البيضاء القائمة على الفوسفور والمُثارة بالأشعة فوق البنفسجية. يمكن إثارة العديد من الفوسفورات عالية الكفاءة بواسطة الأشعة فوق البنفسجية، مما يوفر كفاءة إضاءة أعلى من نظام YAG:Ce الحالي، وبالتالي تحسين أداء مصابيح LED البيضاء.
6. تقنية رقاقة الآبار الكمومية المتعددة (MQW)
في هياكل الآبار الكمومية المتعددة، تُضاف شوائب مختلفة أثناء نمو الطبقة الباعثة للضوء لتكوين آبار كمومية متنوعة. ويؤدي إعادة تركيب الفوتونات المنبعثة من هذه الآبار إلى إنتاج الضوء الأبيض مباشرةً. تُحسّن هذه الطريقة كفاءة الإضاءة، وتُقلل التكاليف، وتُبسط التغليف والتحكم في الدوائر، على الرغم من أنها تُطرح تحديات تقنية أكبر.
7. تطوير تقنية "إعادة تدوير الفوتونات"
في يناير 1999، طورت شركة سوميتومو اليابانية مصباح LED أبيض باستخدام مادة ZnSe. تعتمد هذه التقنية على ترسيب طبقة رقيقة من CdZnSe على ركيزة أحادية البلورة من ZnSe. عند توصيلها بالكهرباء، تُصدر الطبقة ضوءًا أزرق يتفاعل مع ركيزة ZnSe لإنتاج ضوء أصفر مكمل، مما ينتج عنه ضوء أبيض. وبالمثل، قام مركز أبحاث الفوتونيات بجامعة بوسطن بتركيب مركب شبه موصل AlInGaP على مصباح LED أزرق من GaN لتوليد ضوء أبيض.
8. تدفق عملية رقاقة LED المترسبة بالطبقة الرقيقة
① تصنيع الرقاقات المترسبة:
الركيزة ← التصميم الهيكلي ← نمو الطبقة العازلة ← نمو طبقة نتريد الغاليوم من النوع N ← نمو طبقة باعثة للضوء من نوع MQW ← نمو طبقة نتريد الغاليوم من النوع P ← التلدين ← الاختبار (التألق الضوئي، الأشعة السينية) ← رقاقة إبيتاكسية
٢- تصنيع الرقائق:
رقاقة إبيتاكسية → تصميم وتصنيع القناع → الطباعة الضوئية → الحفر الأيوني → قطب كهربائي من النوع N (الترسيب، التلدين، الحفر) → قطب كهربائي من النوع P (الترسيب، التلدين، الحفر) → التقطيع → فحص وتصنيف الرقائق.
رقاقة GaN-on-SiC من ZMSH
تاريخ النشر: 25 يوليو 2025